彭鵬 劉海山 魯愛輝

摘要：列舉了鋼鐵企業(yè)中常見的幾種電能質(zhì)量問題，闡述了這些電能質(zhì)量問題對供電系統(tǒng)造成的影響及危害，分析了產(chǎn)生電能質(zhì)量問題的原因，并提出了相應(yīng)的解決方案，為提高企業(yè)電能質(zhì)量提供了參考。

關(guān)鍵詞：供電系統(tǒng);電能質(zhì)量;解決方案

0 引言

在鋼鐵企業(yè)中，供電電源經(jīng)多條母線、多個變壓器、多個斷路器拓?fù)涑蓮?fù)雜的供電網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，電壓級別包括110 kV、35 kV、10（6）kV、400 V。一般來說，在企業(yè)建設(shè)初期，企業(yè)電能質(zhì)量普遍較好，但隨著企業(yè)內(nèi)用電負(fù)荷的增加，電能質(zhì)量問題逐漸顯現(xiàn)，主要包括電容器組投切或運行時發(fā)生開關(guān)爆炸事故;諧波導(dǎo)致大型電機震動、發(fā)熱嚴(yán)重，甚至燒壞定子繞組;電壓陡降造成供電系統(tǒng)大面積斷電等。提高電能質(zhì)量，能有效降低供電電網(wǎng)三相電壓的不平衡度，減小電壓驟升、驟降幅度，減少電網(wǎng)有害諧波，保證電力系統(tǒng)的安全、連續(xù)和經(jīng)濟運行，從而減少企業(yè)用電設(shè)備因電能質(zhì)量問題而造成的絕緣擊穿、設(shè)備損壞現(xiàn)象，以免對企業(yè)的連續(xù)生產(chǎn)造成影響。

1 無功補償運行裝置的電能質(zhì)量問題

電網(wǎng)輸出功率包括有功、無功兩種形式，有功功率是我們獲得電能轉(zhuǎn)換的實際輸出量，無功功率是電氣設(shè)備實現(xiàn)做功的必備條件，在電網(wǎng)中電能之間完成周期性轉(zhuǎn)換。在電流元件內(nèi)部，電流做功期間，電流比電壓滯后90°;在電容元件內(nèi)部，電流做功期間，則剛好相反，電壓比電流滯后90°。相同電路情況下，電感電流同電容電流，兩者方向保持相反，互差180°。對于帶有容性負(fù)載的裝置，在相同電路中將其與感性負(fù)載保持并聯(lián)連接，使能量完成相互轉(zhuǎn)換。由于絕大多數(shù)的用電設(shè)備均為感性負(fù)載，因此采用串聯(lián)電容進行無功補償?shù)姆绞阶顬槌Ｒ姾推毡?，可以有效提高設(shè)備功率因數(shù)。

電容器組在不同合閘角度情況下，鑒于RLC中電場能量與磁場能量轉(zhuǎn)換的過渡作用，使電抗器L和電容器組C均要承受較高幅值的過電壓，對電抗器和電容器的絕緣造成長時間損害，長此以往，必將損壞電容器或電抗器，引發(fā)事故。在切除電容器組時發(fā)生開關(guān)爆炸事故，主要是由于電容器上相電壓峰值與電感上振蕩電壓疊加幅值較高，再加上真空開關(guān)重燃，使開關(guān)觸頭兩端承受極高的過電壓，當(dāng)開關(guān)表面絕緣由于各種原因不能承受這個過電壓時，將發(fā)生沿面放電現(xiàn)象，易形成對地?fù)舸┖拖嚅g短路事故，使開關(guān)爆炸。

2 電網(wǎng)諧波的電能質(zhì)量問題

對于變壓器來說，諧波所產(chǎn)生的影響是使其溫度升高與損耗變大，負(fù)荷中存在諧波電流的情況下，由阻抗產(chǎn)生諧波電壓，諧波電壓形成渦流電流，繼而造成發(fā)熱及損耗現(xiàn)象，此部分損耗基于諧波電流具體頻率的平方呈正比上升，致使變壓器基波負(fù)載容量明顯降低。負(fù)載中存在較多三倍頻諧波的情況下，即零序諧波，諧波電流位于變壓器線圈及鐵芯中產(chǎn)生環(huán)流，若變壓器不存在中性點，或中性點未采取有效接地措施，則這些諧波磁鏈會在箱體和鐵芯中引起鐵磁諧振;若中性點有效接地，則中性點形成較多的三倍頻諧波電流，對負(fù)載的穩(wěn)定運行產(chǎn)生影響。

諧波也會造成電動機出現(xiàn)溫度升高與損耗變大的情況，具體表現(xiàn)為諧波頻率下鐵損與銅損明顯增多，諧波電壓發(fā)生畸變，電動機效率明顯降低，并產(chǎn)生振動，發(fā)出響聲。針對部分由多臺電動機共同組成的傳動設(shè)備，電動機速度及轉(zhuǎn)率應(yīng)當(dāng)相同，運行速度及轉(zhuǎn)矩若出現(xiàn)差異，則會對產(chǎn)品質(zhì)量產(chǎn)生不利影響，嚴(yán)重時可能造成工件報廢，這些情況均是由于諧波中包含各種特殊頻率的諧波電流所致。

3 電壓陡降的電能質(zhì)量問題

外網(wǎng)短路以及企業(yè)內(nèi)網(wǎng)任意支路短路，均會導(dǎo)致系統(tǒng)電壓明顯跌落，且短路支路電壓等級相對較高，影響范圍較廣。短路情況下，支路保護裝置及時動作，使斷路器跳閘，有效切除故障支路。短路至故障切除階段，系統(tǒng)電壓出現(xiàn)明顯的跌落和恢復(fù)現(xiàn)象，稱之為“陡降”?！岸附怠彪妷簩^電器、電機、變頻器以及變電站的正常供電帶來了嚴(yán)重影響，尤其是在內(nèi)網(wǎng)支路產(chǎn)生較大的短路電流后，會造成同母線其余支路欠壓，導(dǎo)致母線段全部斷電。

4 解決方案

4.1 ? ?分相控制器控制電容投切

通過分析，當(dāng)電容器組接入回路時，不同的接入角度造成了過電壓及過電流幅值的巨大變化，如何降低過電壓幅值是提高電能質(zhì)量的關(guān)鍵。采用分相控制器及動態(tài)分組循環(huán)投切技術(shù)，保證在給裝置提供可靠保護的同時，實現(xiàn)對系統(tǒng)無功功率的動態(tài)補償和調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，可使電容過電壓由2.27倍降到1.54倍，電抗器過電壓由10.6倍降到4.66倍。

4.2 ? ?投入有濾波調(diào)諧功能的電抗器

在電源回路始端投入有濾波調(diào)諧功能的電抗器，保證了裝置在一般諧波運行環(huán)境下不發(fā)生因串聯(lián)或并聯(lián)諧振引起的諧波放大，以免發(fā)生電容器燒壞、爆炸或群爆事故。當(dāng)信號畸變較嚴(yán)重時，可以單獨加裝濾波裝置，過濾掉諧波，保證電能質(zhì)量，延長了裝置的使用壽命，提高了系統(tǒng)安全性。

4.3 ? ?短路解決方案

一旦外網(wǎng)支路的單路電源由于故障原因斷電，受制于不允許雙回路并網(wǎng)運行的條件約束，勢必會造成該段母線所帶負(fù)載全部斷電，從停電到送電會產(chǎn)生較長時間的空白期，這對設(shè)備的正常使用、企業(yè)生產(chǎn)運營以及作業(yè)人員的人身安全帶來了極大的隱患。

為解決此問題，可將兩段母線的聯(lián)絡(luò)開關(guān)通過繼電保護系統(tǒng)設(shè)置為當(dāng)某一段母線失壓后，通過失壓繼電器提供閉鎖信號，聯(lián)動聯(lián)絡(luò)柜合閘，使失壓母線得電運行。通過實驗比對發(fā)現(xiàn)，單純的繼電保護雖能夠?qū)崿F(xiàn)電源的轉(zhuǎn)移，但是仍然有一個停電到恢復(fù)的過程，雖然時間很短，但無法滿足連續(xù)供電的要求。某35 kV變電站電壓錄波曲線如圖1所示，正弦波曲線有超過一個波長的停止時間，這主要是由于斷路器的固有動作持續(xù)時間在40 ms以上，超過了20 ms波長保持時間，因此不能滿足連續(xù)供電的要求。

原有斷路器的固有動作時間是制約電網(wǎng)連續(xù)供電的主要因素，因此采用快速聯(lián)絡(luò)開關(guān)實現(xiàn)雙回路進線電源的瞬時切換，在15 ms內(nèi)切換至另一路，實現(xiàn)外網(wǎng)出現(xiàn)故障后仍能連續(xù)供電的目標(biāo)。某35 kV變電站采用快速聯(lián)絡(luò)開關(guān)后的電壓錄波曲線如圖2所示，采用快速聯(lián)絡(luò)開關(guān)后，中間停電過程的正弦波雖然有所下降，但保持電壓值在額定值的50%以上，且未出現(xiàn)明顯的斷點，電壓陡降實現(xiàn)了平穩(wěn)過渡，滿足了連續(xù)供電的要求。

5 結(jié)語

在大型鋼鐵企業(yè)中，供電系統(tǒng)的電能質(zhì)量會對企業(yè)生產(chǎn)造成極大的影響，如果因為電能質(zhì)量問題導(dǎo)致各類安全事故，會對企業(yè)造成較大的經(jīng)濟損失。因此，本文提出了幾種提高企業(yè)電能質(zhì)量的措施，能夠使企業(yè)供配電系統(tǒng)運行更加可靠，給企業(yè)帶來更大的經(jīng)濟效益。

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收稿日期：2020-05-06

作者簡介：彭鵬（1986—），男，河北唐山人，工程師，研究方向：控制工程。